Instrumentation_Capteur_Final_1 (1).pdf

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Instrumentation et Capteurs
ENSA Kénitra
Niveau S7
ENSA Kénitra
Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE

C t t
2
Contexte
• La station météo Davis Vantage Vue
La station météo Davis Vantage Vue
6250EU permet de mesurer:
▫ Température de -30°C à +60°C -
Résolution 0 1°C • Etude d’une station
Résolution 0,1 C.
▫ Humidité - Résolution: 1%.
▫ Précipitations - Résolution 0,25 mm.
météorologique
▫ Vitesse du vent de 3 à 241 Km/h -
Résolution 1 Km/h.
▫ La direction du vent - Résolution 1°.

3
I Instrumentation industrielle
I. Instrumentation industrielle
ENSA Kénitra
Niveau S7
ENSA Kénitra

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Plan
• Introduction
A PROPRIETES GENERALES
• A- PROPRIETES GENERALES
▫ Principes fondamentaux
 Définitions et caractéristiques générales
 Capteurs actifs
Capteurs actifs
 Capteurs passifs
 Corps d'épreuve - capteurs composites
 Grandeurs d'influences
 La chaîne de mesure
 Capteurs intégrés
 Capteurs intelligents
▫ Caractéristiques métrologiques
▫ Caractéristiques métrologiques
 Les erreurs de mesures
 Etalonnage des capteurs
 Limites d'utilisation
 Sensibilité
 Rapidité - temps de réponse
• B - CONDITIONNEMENT DU SIGNAL
Source : L'ouvrage de référence :
« Les capteurs en instrumentation industrielle » Georges Asch et collaborateurs , Edition Dunod 2010

5
Introduction
• Mesurer une grandeur physique c’est attribuer une valeur quantitative
en prenant pour référence une grandeur de même nature appelée
unité.
• L’instrumentation est une technique de mise en œuvre
d’instruments de mesure, d’actionneurs, de capteurs, de régulateurs,
en vue d’effectuer
en vue d effectuer
▫ la surveillance (ex. mesure de température), du diagnostic des tests
▫ la commande d’appareillage (ex. mesure du taux d’humidité sol pour
d à i i ti ) l l d h î d
commander une pompe à irrigation), on parlera alors de chaîne de
régulation.
▫ la modélisation de phénomènes

d
6
Introduction
• Domaine de l’instrumentation: Contrôle
industriel

7
Classification des signaux
• Signal analogique :
g g q
▫ L’amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs
dans un intervalle donné.
 Signal continu : C’est un signal qui varie lentement dans le temps : température, débit, niveau.
 Forme : C’est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie,
impact.
 Fréquentiel : C’est le spectre fréquentiel qui transporte l’information désirée : analyse vocale,
sonar, spectrographie.
, p g p
• Signal numérique
▫ L’amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu’un nombre fini
de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2.
g p
▫ Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un l’état bivalent d’un système.
 Exemple : une vanne ouverte ou fermée.
▫ Train d’impulsion : Chaque impulsion est l’image d’un changement d’état. Exemple : un
codeur incrémental donne un nombre fini et connu d’impulsion par tour.
▫ Echantillonnage : C’est l’image numérique d’un signal analogique.

Cl ifi ti d i
8
Classification des signaux

Propriétés générales : é é é é
9
Propriétés générales : Définitions et caractéristiques générales
L d ( ) t l d h i à
• Le mesurande (m) est la grandeur physique à
mesurer : déplacement, température,
pression
pression...
• Le mesurage est l'ensemble des opérations
expérimentales qui concourent à la
expérimentales qui concourent à la
connaissance de la valeur numérique du
mesurande
mesurande.
• Le capteur est le dispositif qui soumis à
l'action d'un mesurande non électrique
l action d un mesurande non électrique
présente une caractéristique de nature
électrique (charge tension courant ou
électrique (charge, tension, courant ou
impédance).

T d t
10
Type de capteurs: Capteur actif – capteur passif
• En tant qu'élément de circuit électrique le capteur se présente vu de sa
• En tant qu élément de circuit électrique, le capteur se présente, vu de sa
sortie :
▫ soit comme un générateur, s étant une charge, une tension ou un courant et
il ' it l d' t tif
il s'agit alors d'un capteur actif;
▫ soit comme une impédance, étant alors une résistance, une inductance ou
une capacité : le capteur est alors dit passif.
if é é l b é ff h i i
• Le capteur actif est généralement basé sur un effet physique qui assure
la conversion en une énergie électrique, caractérisée par une tension,
un courant ou une charge électrique. (thermocouple, par exemple, pour
la mesure de température)
• Le capteur passif est une impédance dont l'un des paramètres
déterminants (R L ou C) est sensible au mesurande (sonde Pt 100 par
déterminants (R, L ou C) est sensible au mesurande. (sonde Pt 100, par
exemple; pour la mesure de température)

C t tif
11
Capteur actif
G d h i à Eff t tili é G d d ti
Grandeur physique à mesurer Effet utilisé Grandeur de sortie
Température
Thermoélectricité Tension
Pyroélectricité Charge
Pyroélectricité Charge
Flux de rayonnement optique
Photoémission Courant
Effet photovoltaïque Tension
Effet photo-électrique Tension
Force, Pression, Accélération Piézo-électricité Charge
Vitesse Induction électromagnétique Tension
Position (Aimant)
Courant, champ magnétique
Effet Hall Tension

12
Effet thermoélectrique
• Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique
différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et
T est le siège d'une force électromotrice d'origine
T2, est le siège d une force électromotrice d origine
thermique v(T1,T2) « effet Seebeck ».
▫ Utilisation : mesure de T lorsqu’on connait T (ex. T = 0°C.)
Utilisation : mesure de T1 lorsqu on connait T2 (ex. T2 0 C.)

Eff t P él t i
13
Effet Pyroélectrique
• Pyr=feu : Ce phénomène se produit dans certains cristaux dit «
él i l lf d i l i l
pyroélectriques », le sulfate de triglycine par exemple ;
▫ Le cristal pyroélectrique réagit au rayonnement thermique en changeant
sa polarisation.
p
▫ ils portent en surface des charges électriques proportionnelles à cette
polarisation et de signes contraires sur les faces opposées.
• En pratique si le rayonnement Φ est constant la tension V disparait peu à
• En pratique, si le rayonnement Φ est constant, la tension V disparait peu à
peu. Ce capteur fonctionne bien si le rayonnement varie continuellement.

Effet Piézoélectrique
14
Effet Piézoélectrique
• L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique
L application d une force et plus généralement d une contrainte mécanique
à certains matériaux dits piézoélectriques, le quartz par exemple, entraîne
une déformation qui suscite l'apparition de charges électriques égales et de
signes contraires sur les faces opposées
signes contraires sur les faces opposées.
• Pour faire apparaitre une contrainte dans le cristal, il suffit de lui appliquer
une force F. Une tension V est générée due aux contraintes générées par la
f F
force F.
▫ Si la force F est constante, la polarisation disparait.
▫ Des capteurs de force, de pression et d'accélération utilisent ce
p , p
phénomène qui permet de larges bandes passantes i.e. permet la mesure
de grandeurs physiques variant très rapidement.

Eff t I d tif
15
Effet Inductif
• Un conducteur qui se déplace dans un champ d'induction fixe, il est le
Un conducteur qui se déplace dans un champ d induction fixe, il est le
siège d'une f.é.m. proportionnelle au flux coupé par unité de temps, donc
à sa vitesse de déplacement.
• De même, lorsqu'un circuit fermé est soumis à un flux d'induction
variable du fait de son déplacement ou de celui de la source de
l'induction (aimant par exemple), la f.é.m. dont il est le siège est égale (et
de signe contraire) à la vitesse de variation du flux d'induction.
▫ Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaître la vitesse
du déplacement qui est à son origine.

Eff t h t él t i
16
Effets photoélectriques
• On en distingue plusieurs, qui diffèrent par leurs manifestations mais
qui ont pour origine commune la libération de charges électriques dans
la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus
généralement électromagnétique, dont la longueur d'onde est
g g q , g
inférieure à une valeur seuil, caractéristique du matériau.
• Application:
▫ Les effets photoélectriques qui permettent d'obtenir un courant ou une
▫ Les effets photoélectriques qui permettent d obtenir un courant ou une
tension fonction de l'éclairement d'une cible sont à la base de méthodes de
mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent d'autre
part la transposition en signal électrique des informations dont la lumière
part, la transposition en signal électrique des informations dont la lumière
peut être le véhicule

Effet Hall
17
Effet Hall
• Ce phénomène se produit lorsqu'un conducteur ou un semi-conducteur traversé par un
courant d'intensité i est soumis à un champ magnétique B
courant d intensité i est soumis à un champ magnétique B.
• Une différence de potentiel électrique V apparait, alors, entre les deux faces perpendiculaires
à la direction du courant et du champ magnétique.
• Cette tension est d'ailleurs proportionnelle au produit vectoriel du courant et du champ
Cette tension est d ailleurs proportionnelle au produit vectoriel du courant et du champ
magnétique :
▫ kmag dépend du matériau et des dimensions de la plaquette.
• Un capteur à effet Hall peut servir à mesurer la distance entre un aimant et le détecteur, car
plus l'aimant est près, plus l'intensité du champ magnétique augmente.
• Est le plus familier pour mesurer de forts champs magnétiques(Courants)

Capteurs passifs
18
Capteurs passifs
• Il s'agit d'impédances dont l'un des paramètres déterminants est sensible
au mesurande. La variation d'impédance résulte :
▫ Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de
fonctionnement de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux
mobile, condensateur à armature mobile.
▫ Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression,
accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression,
jauge d'extensiométrie liée à une structure déformable).
• L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont
p p p
mesurables qu'en intégrant le capteur dans un circuit électrique.

Capteurs passifs
19
Capteurs passifs
Les mesurandes susceptibles de modifier les propriétés électriques de
matériaux employés pour la réalisation de capteurs passifs.
Grandeur mesurée Caractéristique électrique sensible Type de matériaux utilisé
Température Résistivité
Métaux : platine, nickel, cuivre (CTP)
Semi conducteur (CTN)
p
Semi-conducteur (CTN)
Très basse
température
Constante diélectrique Verre
Flux lumineux Résistivité Semi conducteur (LDR)
Flux lumineux Résistivité Semi-conducteur (LDR)
Déformation
Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé
Perméabilité magnétique µ Alliage ferromagnétique
Position (aimant) Résistivité
Matériaux magnéto résistants : bismuth,
antimoniure d'indium
Humidité
Résistivité
Constante diélectrique 
Chlorure de lithium
Alumine, polymères
Niveau Constante diélectrique Liquides isolants
Niveau Constante diélectrique Liquides isolants

Ré i
20
Résistance
• La résistance R:
• La résistance R:
• Variation de résistivité :
▫ La relation entre la résistivité ρ et la température T est :
avec ρ0 la résistance à une température de référence ;
∆T la différence entre la température actuelle et celle de référence et αi les
coefficients de température
coefficients de température.
Ainsi, pour un fil cylindrique de longueur l et de section A, la résistance est :

d
21
Le condensateur
• La capacitance d’un condensateur C est définie comme le rapport entre la quantité Q de
La capacitance d un condensateur C est définie comme le rapport entre la quantité Q de
charges électriques stockées sur deux plaques métalliques et le champ électrique V entre ces
plaques provoqué par ces charges électriques :
La capacitance de deux plaques rectangulaire parallèles de surface
A distancées d'une distance d
La capacitance d'un condensateur cylindrique , d
et D les diamètres respectifs des électrodes
internes et externes et l la longueur du cylindre
Avec εr , la constante diélectrique relative du matériau soumis au champ électrique présent
entre les deux plaques. A titre de référence, la constante diélectrique du vide (dite aussi
itti ité d id ) t 8 8 4 10 12 F/ t l t t diél t i l ti d l' i t
permittivité du vide) est ε0 = 8,854.10-12 F/m et la constante diélectrique relative de l'air est
ε0 = 1,000264.

I d t
22
Inductance
• L'inductance L est une mesure du rapport entre le flux du champ magnétique Φ généré
• L inductance L est une mesure du rapport entre le flux du champ magnétique Φ généré
par un fil conducteur traversé par un courant d'intensité I :
• La loi de Faraday donne la tension e(t):
▫ Et la relation entre la tension e(t)et le coutant i(t) dans une inductance:
• L'inductance d'une bobine de N spires enroulées autour d'un noyau magnétique est :
• Avec μ0 la perméabilité magnétique du vide,
• μr la perméabilité magnétique relative du noyau magnétique
• et l la longueur du circuit magnétique.

23
Inductance
L’ind ctance pe t être changée par les ariations de la perméabilité magnétiq e relati e q i
• L’inductance peut être changée par les variations de la perméabilité magnétique relative qui
est fonction des contraintes mécaniques présentes dans un métal ferromagnétique soumis à
une force.
• L'inductance peut aussi être changée en modifiant la réluctance du circuit magnétique ou en
L inductance peut aussi être changée en modifiant la réluctance du circuit magnétique ou en
changeant le nombre de tours de la bobine
• Certains circuits magnétiques comportent des entrefers, i.e., des zones ou le circuit
ferromagnétique est interrompu.
▫ Un entrefer de faible épaisseur e possède une réluctance (si entrefer est un vide, i.e. μr=1 ):
L’inductance due à l’entrefer est alors: S
e



▫ L inductance due à l entrefer est alors: S
0

2
N
L
• La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances du circuit magnétique


L
• La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances du circuit magnétique

d
24
Inductance
• L’effet d'avoir des bobines proches l'une de l'autre: elles
interagissent.
 Variation d’inductance mutuelle

C t it
25
Capteurs composites
• Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation, on peut utiliser un capteur,
p , p p ,
non sensible au mesurande mais à l'un de ses effets.
• Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis au mesurande étudié en assure
une première traduction en une autre grandeur physique non-électrique, appelé
p g p y q q , pp
mesurande secondaire, qu'un capteur adéquat traduit alors en grandeur
électrique.
Exemple : Mesure d'une force mécanique
On utilise comme corps d’épreuve un élément élastique respectant la loi linéaire
On utilise comme corps d épreuve un élément élastique, respectant la loi linéaire
(raideur constante). Le mesurande force est transformé en mesurande déplacement
Le capteur de force utilise ainsi les technologies du capteur de déplacement

Grandeurs d’influence
26
Grandeurs d influence
• Le capteur peut se trouver soumis non seulement au mesurande mais à d’autres
d h iq q i t t i h t d l d
grandeurs physiques qui peuvent entrainer un changement de la grandeur
électrique de sorte qu’il est impossible de distinguer de l’action du mesurande. Ce
sont les grandeurs d’influence.
L i i l t
• Les principales sont :
▫ Température qui modifie les caractéristiques électriques (résistances), mécaniques et
dimensionnelles des composants du capteur.
▫ Pression accélération et vibrations susceptibles de créer des déformations et des
▫ Pression, accélération et vibrations susceptibles de créer des déformations et des
contraintes qui altèrent la réponse du capteur.
▫ Humidité à laquelle, par exemple, la constante diélectrique ou la résistivité peuvent être
sensibles et qui risque de dégrader l’isolation électrique entre composants du capteur ou
q q g q p p
entre le capteur et son environnement.
▫ Champs magnétiques variables ou statiques. Les premiers créent des f.é.m. d’induction
qui se superposent au signal utile, les seconds peuvent modifier une propriété électrique
l é i i i é l l ili é i é é i if
comme la résistivité lorsque le capteur utilise un matériau magnéto-résistif.
▫ Tension d’alimentation (amplitude et fréquence) lorsque la grandeur électrique de
sortie en dépend de par le principe même du capteur.
Lumière ambiante qui vient s’ajouter au flux lumineux à mesurer
▫ Lumière ambiante qui vient s ajouter au flux lumineux à mesurer.

Grandeurs d’influence
27
Grandeurs d influence
Po éli i e de la es e les e t batio s o doit
• Pour éliminer de la mesure les perturbations, on doit:
▫ Soit réduire l'importance des grandeurs d'influence au niveau du capteur en le
protégeant par un isolement adéquat : supports antivibratoires, blindages
magnétiques ;
▫ Soit stabiliser les grandeurs d'influence à des valeurs parfaitement connues et
d'étalonner le capteur dans ces conditions de fonctionnement : enceinte
thermostatée ou à hygroscopie (absorbant l’humidité) contrôlée, sources
d'alimentation régulées ;
▫ Soit utiliser des montages qui permettent de compenser l'influence des
grandeurs parasites

T tt
28
Transmetteur
U dis ositif q i co e tit le sig al de so tie d
• Un dispositif qui convertit le signal de sortie du
capteur en un signal de mesure standard.
Il t d li l t tè d t ôl
• Il permet de lier le capteur au système de contrôle
commande
Il èd i d è d é l
• Il possède au moins deux paramètres de réglage :
le décalage de zéro et l’étendue de mesure.

Chaine de mesure
29
Chaine de mesure
• Elle permet de recueillir les informations nécessaires à la connaissance et
ôl d’ édé
au contrôle d’un procédé
▫ Elle délivre ces informations sous une forme appropriée à l’exploitation.

Ch i d
30
Chaine de mesure
• Elle assure au moyen de dispositifs appropriés :
• Elle assure au moyen de dispositifs appropriés :
▫ L’extraction de l’information des grandeurs physiques à connaitre et la
traduction en signal électrique au moyen de capteurs et de conditionneurs.
L t it t l i d i l fi d’é it l dé d ti d
▫ Le traitement analogique du signal afin d’éviter la dégradation du
signal par le bruit et les parasites : amplification, filtrage.
▫ La sélection à l’aide du multiplexeur parmi l’ensemble des signaux
di ibl d i l i
disponibles du signal requis.
▫ La conversion du signal sous forme numérique adaptée au
calculateur chargé de l’exploiter, au moyen de l’échantillonneur-bloqueur et
d ti l i é i
du convertisseur analogique-numérique.

Principaux composants de la chaine
31
• Le multiplexeur :
l él d l f d ll l l d f d
▫ Permet la sélection d’un canal afin d’aiguiller son signal vers les dispositifs de
traitement dans le cas où l’acquisition des données porte sur plusieurs
mesurandes.
• Il existe deux types de multiplexeurs :unipolaire et
différentiel.
▫ Le choix suivant la nature des tensions à commuter : référencées par rapport à
▫ Le choix suivant la nature des tensions à commuter : référencées par rapport à
la masse ou différence de potentiels.
• Une des caractéristiques importante du multiplexeur est le
temps d’établissement, défini par la somme du temps de
transition et du temps de réponse.
▫ Temps de transition: temps entre la sélection de la voie et sa fermeture
▫ Temps de transition: temps entre la sélection de la voie et sa fermeture
▫ Temps de réponse: temps entre la fermeture de la voie et l’apparition du signal
à la sortie du mux.

32
• L’échantillonneur bloqueur :
• L échantillonneur-bloqueur :
▫ prélèvement à un instant connu avec précision un échantillon d’une tension
appliquée à son entrée ;
▫ mémorisation cet échantillon;
▫ Délivrance en sortie une tension égale à celle mémorisée.
• Dans le cas de signaux dont la variation risque d’être
Dans le cas de signaux dont la variation risque d être
importante pendant la durée d’une conversion analogique-
numérique, l’échantillonneur-bloquer doit nécessairement
précéder le CAN de façon à lui présenter une tension stable
représentative du signal à l’instant de l’échantillonnage.

33
• Le convertisseur analogique-numérique
▫ Recevant à son entrée une tension analogique Vi, il délivre en sortie
un mot de n bits selon un code binaire déterminé.
• Il est caractérisé par :
• Il est caractérisé par :
▫ La plage de tension analogique convertible Vpc = exemple de 0 –
10V en unipolaire ou ±5V en bipolaire ;
▫ Le nombre n de bits du mot de sortie, le convertisseur peut fornir2n
mots distincts (de 0 à 2n-1) ;
• V et n permettent de définir la valeur du quantum
• Vpc et n permettent de définir la valeur du quantum
q=Vpc/2n ou la plage élémentaire de conversion.
▫ Pour Vpc = 10V
pc
n 8 10 12 16
q(mV) 39,1 9, 8 2,4 0,15
q( )

34
• Microprocesseur (le calculateur) :
U f i é il êt l h f d’ h t d l
▫ Une fois programmé, il va être le chef d’orchestre de la
chaîne de mesure, c.-à-d. délivrer les séquences de
commandes activant chacun des blocs de circuit de la
chaîne :
 La sélection d’une voie d’entrée par l’envoi d’une adresse au
multiplexeur ;
multiplexeur ;
 La fixation du gain programmable ;
 L’échantillonnage puis le blocage du signal ;
 Le déclenchement de la conversion analogique-numérique ;
 La lecture et le stockage de la donnée numérique dès qu’est
reçu le signal de fin de conversion du CAN
reçu le signal de fin de conversion du CAN.

C t i té é
35
Capteur intégré
C’est co osa t éalisé a les tech iq es de
• C’est un composant réalisé par les techniques de
la micro-électronique et qui regroupe sur un
même substrat de silicium commun le capteur à
même substrat de silicium commun, le capteur à
proprement dit, le corps d’épreuve et
l’électronique de conditionnement
l électronique de conditionnement.

Capteur intelligent
36
Capteur intelligent
• C’est l'ensemble de mesure d'une
• C est l ensemble de mesure d une
grandeur physique constitué de
deux parties :
deux parties :
▫ une chaîne de mesure pilotée par microprocesseur ;
▫ une interface de communication bidirectionnelle.
• Il offre des avantages spécifiques :
• Il offre des avantages spécifiques :
▫ configurabilité à distance ;
▫ crédibilité accrue des mesures et
aide à la maintenance grâce aux
informations d'état fournies ;
répartition des tâches déchargeant
▫ répartition des tâches, déchargeant
le calculateur central.

C t i t lli t
37
Capteur intelligent
• La chaîne de mesure comporte :
• La chaîne de mesure comporte :
▫ le capteur principal spécifique du mesurande étudié ;
▫ les capteurs secondaires propres aux grandeurs d'influence susceptibles
d'affecter la réponse du capteur principal;
▫ les dispositifs classiques permettant l'obtention sous forme numérique de
la grandeur de sortie de chaque capteur : conditionneur, multiplexeur,
g q p , p ,
amplificateur, échantillonneur-bloqueur, convertisseur analogique-
numérique ;
▫ un microprocesseur affecté aux tâches :
▫ un microprocesseur affecté aux tâches :
 gestion de l'acquisition,
 correction de l'effet des grandeurs d'influence au moyen des paramètres
t ké PROM t d d é f i l t d i
stockés en PROM et des données fournies par les capteurs secondaires,
 linéarisation,
 diagnostic des capteurs.

Capteur intelligent
38
Capteur intelligent
• L'interface de communication bidirectionnelle assure la
liaison du capteur à un calculateur par un bus partagé
entre plusieurs capteurs intelligents.
• Les messages porteurs du code du capteur concerné
transitent par l'interface :
it d l l l t t fi ti
▫ soit dans le sens calculateur vers capteur : configuration,
auto-étalonnage ...
▫ soit dans le sens capteur vers calculateur : résultats de
soit dans le sens capteur vers calculateur : résultats de
mesure, état de la chaîne (étendue de mesure, dépassements
de gamme du mesurande ou d'une grandeur d'influence ...).

Caractéristiques métrologiques
39
Caractéristiques métrologiques
• Limites d'utilisation
• Limites d utilisation
• Sensibilité
• Rapidité temps de réponse
• Rapidité - temps de réponse
• Les erreurs de mesures
Et l d t
• Etalonnage des capteurs

Domaines de fonctionnement
40
• Chaque capteur présente des caractéristiques métrologiques qui
définissent ses limites d'utilisation et de précision.
C li it dé d t d d t d d
• Ces limites dépendent du mesurande et des grandeurs
d’influence.
• Trois domaines de fonctionnement:
• Trois domaines de fonctionnement:

41
• Domaine nominal : conditions normales d'utilisations.
P l d ’ t ét d d t l d
▫ Pour le mesurande c’est son étendue de mesure et pour les grandeurs
d’influence est la plage de travail.
• Domaine de non-détérioration : dépassement du domaine nominal, les
caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière réversible
▫ Le capteur entre dans ce domaine si le mesurande et/ou les grandeurs
d’influence excédent les valeurs minimales et/ou maximales du domaine
d influence excédent les valeurs minimales et/ou maximales du domaine
nominal.
• Domaine de non destruction
L té i ti d t t difié d iè i é ibl
▫ Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière irréversible..
▫ Un nouvel étalonnage est nécessaire.
▫ Si on sort du domaine de non-destruction, le capteur est alors détruit.
p

S ibilité
42
Sensibilité
La se sibilité S( ) d' ca te o e ale
• La sensibilité S(m) d'un capteur, pour une valeur
donnée du mesurande, est égale au rapport de la
ariation du signal électrique sur la ariation du
variation du signal électrique sur la variation du
signal physique.
s

 
( )
m
s
S m
m

 
  

 

S ibili é
43
Sensibilité
• Pour faciliter l'exploitation on s'efforce d'utiliser en sorte
• Pour faciliter l exploitation on s efforce d utiliser, en sorte
qu'il établisse une relation linéaire entre les variations Δs
de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur
de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur
d'entrée .
• Un des problèmes dans la conception et l'utilisation d'un
capteur est la constance de sa sensibilité S qui ne doit pas
dépendre :
d l l d (li é ité) t d f é d i ti (b d
▫ de la valeur de m (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande
passante) ;
▫ du temps (vieillissement) ;
▫ de l'action d'autres grandeurs physiques de son environnement qui
ne sont pas l'objet de la mesure (grandeurs d'influence).

Et d d
44
Etendue de mesure
• Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquelles le
p g p q
capteur répond aux spécifications du constructeurs.
• Cette spécification peut aussi s'appeler calibre
▫ E.M. = mmax – mmin
• L'unité de l'E.M. est généralement l'unité du mesurande.
l C d f à j i é i i 6
▫ Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1:
E.M. 0-10 N

Ré l ti
45
Résolution
La ésol tio est la l s etite a iatio d
• La résolution est la plus petite variation du
mesurande qu’il est possible d’observer.
U ité ll d d
• →Unité : celle du mesurande.

P é i i d
46
Précision de mesure
• Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner une
• Elle caractérise l aptitude d un capteur à donner une
mesure M proche de la valeur vraie m de la grandeur
mesurée;
mesurée;
• L'incertitude de mesure δM est telle que : m = M ± δM
• L'erreur relative de mesure est une erreur relative εp
p
ramenée à la vraie valeur
réel
mesuré
p
M
M
M 


• La précision de mesure est d'autant plus grande que
l'i tit d l ti t l tit
réel
M
l'incertitude relative est plus petite.

E d
47
Erreurs de mesures
• Erreurs systématiques : reproductibles reliées à
• Erreurs systématiques : reproductibles reliées à
leur cause par une loi physique, donc susceptible
d'être éliminées par des corrections convenables
d être éliminées par des corrections convenables.
• Erreurs aléatoires ou accidentelles : non
reproductibles qui obéissent à des lois statistiques
reproductibles, qui obéissent à des lois statistiques.
▫ Résultent d'une fausse manœuvre, d'un mauvais emploi
ou de dysfonctionnement de l'appareil
ou de dysfonctionnement de l appareil.
▫ Elles ne sont généralement pas prises en compte dans la
détermination de la mesure
détermination de la mesure.

E té ti
48
Erreurs systématiques
• Erreurs constantes et/ou des variations lentes par rapport à
• Erreurs constantes et/ou des variations lentes par rapport à
la durée des mesures liées par exemple à la dérive, le
vieillissement, la mauvaise utilisation du capteur, l’erreur
de référence.
• Les sources usuelles d'erreurs systématiques:
▫ L’erreur sur le zéro (erreur de décalage ‘’offset’’)
 ne dépend pas de la valeur de la grandeur mesurée
 Erreur de zéro = Valeur de m quand M = 0
q

E té ti
49
L’e e de gai o d’échelle
• L’erreur de gain ou d’échelle:
• C’est une erreur qui dépend de façon linéaire de la
l d l d é
valeur de la grandeur mesurée.

E té ti
50
L'erre r de linéarité
• L'erreur de linéarité
La caractéristique n'est pas une droite.

E id t ll lé t i
51
Erreurs accidentelles ou aléatoires
L' iti d l
• L'apparition de ces erreurs comme leur
amplitude et leur signe sont considérés
comme aléatoires.
• Certaines des causes peuvent être connues
Certaines des causes peuvent être connues
mais les valeurs des erreurs qu'elles
entraînent au moment de l' expérience sont
entraînent au moment de l expérience sont
inconnues.
i ibl d'
• Diverses causes possibles d'erreurs
accidentelles.

E id t ll lé t i
52
• Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des
• Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des
caractéristiques instrumentales:
• Erreur de mobilité : en dessous d'une valeur, les variations du
d ' î d i i dé l bl d i l él i
mesurande n'entraînent pas de variation décelable du signal électrique
fourni par le capteur. Exemple, pour un potentiomètre bobiné pour
lequel un déplacement du curseur inférieur à la distance entre deux
spires peut n'entraîner aucune variation de la tension du curseur.
▫ L'erreur de mobilité est spécifiée comme la variation maximale du
mesurande qui n'entraîne pas de variation détectable de la grandeur de
q p g
sortie du capteur.
• Erreur de lecture d'un appareil à déviation : résulte d'une part de la
plus ou moins grande habileté de l’opérateur mais aussi, d'autre part,
plus ou moins grande habileté de l opérateur mais aussi, d autre part,
de la qualité de l'appareil : finesse de l'aiguille par exemple.

E id t ll lé t i
53
• L’erreur de quantification
▫ La caractéristique est en escalier, cette erreur est
souvent due à une numérisation du signal.
▫ l'opération de quantification attribue une valeur
unique à l’ensemble des valeurs analogiques

E id t ll lé t i
54
• Erreur d'hystérésis : Il y a phénomène d'hystérésis lorsque
le résultat de la mesure dépend des conditions d'utilisation
antérieures.
L' d'h té é i t é ifié ét t l itié
▫ L'erreur d'hystérésis est spécifiée comme étant la moitié
de l’écart maximal des valeurs de la grandeur de sortie
correspondant à une valeur du mesurande selon que
correspondant à une valeur du mesurande, selon que
cette dernière est obtenue par valeurs croissantes ou
décroissantes.

E id t ll lé t i
55
• Erreurs dues à la prise en compte par la chaîne de
• Erreurs dues à la prise en compte par la chaîne de
mesure de signaux parasites de caractère aléatoire
▫ Bruit de fond produit par l’agitation thermique des porteurs de charge
dans les résistances ou les composants actifs (apparition à leurs bornes de
fluctuations de tension).
▫ Inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à
Inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à
fréquence industrielle en particulier
▫ Fluctuations de tension des sources d'alimentation changeant les
performances d'appareillages : conditionneurs amplificateurs
performances d appareillages : conditionneurs, amplificateurs
• Erreurs dues à des grandeurs d 'influence

Evaluation des erreurs aléatoires
56
• Incertitudes statistiques (mesures répétitives ou Type A
Uncertainty)
• Moyenne : soient les mesures xi d’une même grandeur X répétée n fois,
la valeur moyenne de la mesure est :
la valeur moyenne de la mesure est :
• Écart : Est la différence entre une mesure x et la moyenne, elle peut être
i i é i
positive ou négative.
• Écart absolu moyen : moyenne des valeurs absolues des écarts à la moyenne.
• Variance : moyenne des carrés des écarts.
• Écart quadratique moyen (EQM) ou écart type : racine de la
moyenne des carrés des écarts.

E l ti d lé t i
57
• The standard uncertainty u(xi) to be associated with xi is the estimated standard deviation of the mean
The standard uncertainty u(xi) to be associated with xi is the estimated standard deviation of the mean
• Le nombre de mesures est limité, on multiplie par le facteur d’élargissement k (ou coefficient de Student )
dépendant du nombre de mesures n et de l’intervalle de confiance désiré.
•
Confidence Interval: représente la
marge d’erreur de la mesure,
selon laquelle on doit relativiser
l’interprétation du score observé.
Lorsqu’un instrument a une
erreur de mesure faible, donc
l’intervalle de confiance est petit et
la confiance que l’on peut accorder
aux résultats s’en trouve renforcée

E l ti d lé t i
58
• Exemple: On a mesuré la masse M d’un article 5fois: les relevés sont en
• Exemple: On a mesuré la masse M d un article 5fois: les relevés sont en
gramme: 22.85; 22.87; 22.81; 22.79; 22.84.
• On désire avoir un Confidence Interval 95%
• La masse M = (22,83 ± 0,14) g soit M = (22,8 ± 0,2)g

59
• Propagation de la dispersion statistique:
• Valeurs des grandeurs xi obtenues par une moyenne statistique sur un
nombre de mesures répétées,
• Incertitude sur chaque paramètre est donnée par la dispersion
• Incertitude sur chaque paramètre est donnée par la dispersion
statistique ou déviation standard
• Si les variables sont indépendantes, les incertitudes se combinent
lé i l i l d bi é d é
X

aléatoirement et la variance sur la grandeur combinée est donné par:

E l ti d
60
Evaluation des erreurs
• Lors d’une mesure unique(ou ponctuelle) la précision de l’appareil de mesure la façon
Lors d une mesure unique(ou ponctuelle), la précision de l appareil de mesure, la façon
dont il est utilisé et la qualité du mesurage sont à prendre en compte : l’erreur
correspondante est l’erreur systématique et l’incertitude associé est dite de type B.
• L’évaluation de ce type est effectuée par des moyens autres que l’analyse statistique de
série d’observations. Elle est basée sur la connaissance de la loi de probabilité suivie par
le mesurande.
• Exemple:

E l ti d
61
Evaluation des erreurs
• Incertitude ponctuelle (mesure unique)
• Soit une grandeur A = f(x, y, z) où x, y et z représentent les
mesures primaires.
d l d ê é
• L’incertitude sur la grandeur A peut être exprimée en
donnant :
it l’i tit d b l ∆A
▫ soit l’incertitude absolue ∆A ;
▫ soit l’incertitude relative ∆A/A.
E i d l diffé ti ll d f
• Expression de la différentielle de f :
▫ df = (∂f/∂x)dx + (∂f/∂y) dy + (∂f/∂z).dz .
Et l’incertitude sur A est :
• Et l incertitude sur A est :

E l ti d lé t i
62

Qualité d’une chaine de mesure :
63
Qualité d une chaine de mesure :
Fidélité, justesse et précision
• Fidélité : aptitude à donner, pour une même valeur de la
grandeur mesurée, des indications voisines entre elles.
grandeur mesurée, des indications voisines entre elles.
▫ Qualité d'un appareillage de mesure dont les erreurs accidentelles
f ibl ll d i d é l d é
sont faibles : elle se traduit par des résultats de mesurage groupés
autour de leur valeur moyenne.
▫ L’écart type dont l'importance reflète la dispersion des résultats est
souvent considéré comme l'erreur de fidélité : il permet ainsi une
souvent considéré comme l erreur de fidélité : il permet ainsi une
appréciation quantitative de la fidélité.

Q lité d’ h i d
64
Qualité d’une chaine de mesure
• Justesse : aptitude à donner des indications égales à la
grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n’étant pas prises
g p p
en considération.
j i l’é l d
▫ Un capteur est juste si l’écart entre la moyenne des
résultats et la valeur « vraie » est faible, même si l’écart-
type est grand.
U t t j t i l é t h d
▫ Un capteur est juste si la réponse moyenne est proche de
la valeur « vraie ».

Q lité d’ h i d
65
Qualité d’une chaine de mesure
•la précision est la qualité d'un appareil dont chaque mesure est proche de la
p q pp q p
valeur réelle du mesurande.
•Il est donc à la fois fidèle et juste.
Mesure peu juste et peu fidèle Mesure peu juste mais fidèle
Densité de probabilité
D D
Vm Vmoy Vm Vmoy
Mesure juste mais peu fidèle Mesure juste et fidèle
D D
Vm = Vmoy Vm = Vmoy

C té i ti d i d t
66
Caractéristiques dynamiques des capteurs
• Rapidité :
▫ Elle caractérise l'aptitude d'un dispositif à répondre aux
p p p
variations temporelles du mesurande
▫ Elle est spécifiée soit par la bande passante, soit par le
temps de réponse
p p
▫ Les dispositifs de la chaîne doivent avoir des bandes
ibl l i l d
passantes compatibles avec le signal de mesure.

C té i ti d i d t
67
• Temps de réponse :
• Temps de réponse :
▫ Le temps de réponse tr(x) ou d'établissement à x près est la durée
minimale d'attente après l'application d'un échelon à l'entrée,
l'é l if d l i à l fi l
pour que l'écart relatif de la sortie par rapport à sa valeur finale
demeure toujours inférieur à x.
• Le temps de réponse permet d’évaluer le temps total de
Le temps de réponse permet d évaluer le temps total de
réaction d’un capteur à un échelon de position.

C té i ti d i d t
68
Te s de o tée l t d té d’ t
• Temps de montée : le temps de montée d’un capteur
soumis à un échelon du mesurande est le temps mis pour
passer d’une valeur de x % de la réponse depuis la valeur
passer d une valeur de x1% de la réponse depuis la valeur
initiale S0 à x2% de cette réponse.

C té i ti d i d t
69
• Bande passante :
• Bande passante :
▫ C’est la plage de fréquence de variation du mesurande où
les caractéristiques du capteur spécifiées par le
les caractéristiques du capteur spécifiées par le
constructeur sont respectées.
▫ Si la fréquence du mesurande est comprise entre fb et
Si la fréquence du mesurande est comprise entre fbasse et
fhaute, l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux
spécifications du constructeur.
p

l d
70
Etalonnage des capteurs
L l ti thé i F( ) é lt d l i h i i
• La relation théorique s = F(m) résulte des lois physiques qui
régissent le fonctionnement du capteur et dans son expression
numérique de sa construction (géométrie, dimensions, matériaux) et
de son mode d'emploi (température, alimentation).
• La relation s = F(m) sous sa forme numériquement exploitable est
explicitée par étalonnage : pour un ensemble de valeurs de m
e p c ée pa é a o age pou u e se b e de a eu s de
connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de s
ce qui permet de tracer la courbe d'étalonnage; cette dernière, à toute
valeur mesurée de s permet d'associer la valeur de m qui la
valeur mesurée de s, permet d associer la valeur de m qui la
détermine.

71
• Etalonnage simple : établissement d’une seule courbe
d’étalonnage qui consiste à déterminer s pour des
valeurs connues de m ; on peut alors être confronté à :
▫ Un élément direct ou absolu où les valeurs de m sont fournies par des
p
étalons.
▫ Un étalonnage indirect ou par comparaison pour lequel on utilise un
▫ Un étalonnage indirect ou par comparaison pour lequel on utilise un
deuxième capteur étalonné appelé capteur de référence. On relève alors
l é d t d i t i t l d d d
les réponses de s et de sref qui sont soumis tous les deux au mesurande de
m. on remonte alors de s à m.

72
• Etalonnage multiple :
▫ Tient compte de toutes les grandeurs d’influence,
Tient compte de toutes les grandeurs d influence,
 il s’agit d’un ensemble d’étalonnages successifs qui détermine la
dépendance de la grandeur principale vis-à-vis des grandeurs
d’i fl
d’influence.
▫ Exemple : capteur de pression. On établit une première courbe de réponse à
T=T1, une seconde à T = T2 ...
▫ Tenir compte de propriétés des matériaux soumis à la mesure :
▫ Exemple : capteur électromagnétique de niveau le constructeur donne la
réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés.
réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés.
▫ Tenir compte de la succession des valeurs lors de l’étalonnage
▫ Exemple : dans le cas d’hystérésis et si l’on désire une meilleure précision,
t éd à lib ti d l itif t à d d
on peut procéder à une calibration dans le sens positif et à une seconde dans
le sens négatif.

C diti t d i l
73
Conditionnement du signal
• Les signaux électriques issus de capteurs
Les signaux électriques issus de capteurs
(thermocouples, ponts, jauges de contrainte...)
sont généralement de faible niveau.
sont généralement de faible niveau.
▫ Il est nécessaire de les amplifier pour être
compatibles avec les outils de mesure modernes.
compatibles avec les outils de mesure modernes.
• La mesure ne doit pas perturber le phénomène
étudié (modification électrique...).
étudié (modification électrique...).
• La mesure doit être significative, même en
environnement perturbé
environnement perturbé

C diti t d i l
74
• Le capteur actif fournit un signal électrique.
p g q
▫ Les grandeurs usuelles sont :
 tension généralement de quelques millivolts
 courant en µA ou mA
µ
 charge électrique
▫ La mesure est une conversion de la grandeur en tension sans perturbation du
phénomène source.
phénomène source.
• Le capteur passif exige une source d’excitation (DC ou AC) pour
mettre en évidence la propriété électrique (variation d’impédance)

C diti t d i l
75
Le co ditio e e t e et de ett e e fo e le
• Le conditionnement permet de mettre en forme le
signal mesuré en vue d’un traitement et d’une
transmission é entuelle
transmission éventuelle.
• Le conditionnement peut participer au rejet des
t b ti t d d'i fl
perturbations et grandeurs d'influence.

C diti A lifi t é ti l
76
Conditionneurs : Amplificateur opérationnel
Est la base d co ditio e éalisa t les
• Est la base du conditionneur réalisant les
principales fonctions de la mesure électronique des
capteurs
capteurs.

A lifi t é ti l
77
Amplificateur opérationnel
• Modèle en régime linéaire
• Zi : impédance d'entrée de
i p
l’amplificateur 105 à 1010 Ω
• i+, i : courants d’entrées 10-8 à
+, -
10-12 A(appelés aussi courants
de polarisation)
p )
• Zs : impédance de sortie de
l’ordre de 10 à 100 Ω
l ordre de 10 à 100 Ω
• µ : gain en petits signaux

A lifi t é ti l é l
78
Amplificateur opérationnel réel
• Courants de polarisation présentent une composante
p p p
continue statique qui circulent dans le circuit associé à
l’entrée considérée ;
• Les courants de polarisation ne sont pas identiques (offset de
courant) ;
Il i t t i d dé l t l t é V t V
• Il existe une tension de décalage entre les entrées V+ et V-
(offset de tension) ;
• La vitesse de variation de la tension de sortie est limitée (slew
• La vitesse de variation de la tension de sortie est limitée (slew
rate), indépendamment de la bande passante.

A lifi t é ti l é l
79
Amplificateur opérationnel réel
• Courants de polarisation et l’offset de courant négligés ;
p g g ;
• L’offset de tension est négligeable ;
• L’impédance d’entrée Zi est infinie;
i
• Le gain µ est infini ;
• La tension de sortie étant finie (bornée par les valeurs
d’alimentation), il en résulte que :
 ε = (Vs + Zs Is) / µ = 0
E é i li é i l’ lifi idé l V V
 En régime linéaire, pour l’amplificateur idéal on a :V+ = V-
• L’amplificateur opérationnel est l’outil de base pour
lifi l i d
amplifier les signaux de mesure.
 Son gain doit être adapté pour les usages en
instrumentation
instrumentation.

C diti t tif
80
Conditionneurs pour capteurs actifs
Il e iste 3 t es de ca te s actifs
• Il existe 3 types de capteurs actifs :
▫ capteur générateur de f.e.m →ne nécessite pas de
conditionneur
conditionneur
▫ capteur générateur de courant →transformation du
courant en tension
courant en tension
▫ capteur générateur de charge →transformation de la
charge en tension
charge en tension

C diti t tif
81
1 Capteur source de tension :
1. Capteur source de tension :
• Le conditionneur est un amplificateur de tension.
• La source Ec présente une impédance de sortie Zc.
• Le conditionneur charge cette source par son impédance d’entrée Zi.
• On a:
Zc
Zi
Zi
Ec
Vm


Le conditionneur doit présenter une
impédance d'entrée importante devant
p p
celle de la source Le choix dépend de la
précision souhaitée. Pour une précision
1/1000, il faut un rapport d'impédance de
même valeur.

C diti t tif
82
• Le conditionneur doit présenter une impédance d’entrée
• Le conditionneur doit présenter une impédance d entrée
importante devant celle de la source.
• Le choix dépend de la précision souhaitée Pour une précision
Le choix dépend de la précision souhaitée. Pour une précision
1/1000, il faut un rapport d’impédance de même valeur.
• Le montage à retenir est un amplificateur avec impédance très
g p p
importante.

C diti t tif
83
2 Capteur source de courant (ex : phototransistor)
2. Capteur source de courant (ex. : phototransistor)
• Le modèle du capteur est un générateur de courant avec une impédance
interne Zc.
• Le conditionnement peut se limiter à une simple résistance Zi = R.
• La tension mesurée est fonction de la résistance de mesure et de l'impédance
parallèle du générateur de courant.
p g
• Conditionneur acceptable pour un générateur de courant pur (Zc>>Zi)
c
i
C i
Z
Z
Vm ).
//
(


C diti t tif
84
2 Capteur source de courant (ex : phototransistor)
2. Capteur source de courant (ex. : phototransistor)
• Le conditionneur est un Convertisseur courant/tension
• Le capteur est alors une source de courant à tension nulle (et constante).
• Sa conductance parallèle (inverse d’impédance) n’intervient pas dans la
valeur mesurée.
• La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une
La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une
impédance fortement capacitive.
R
i
Vm 
 R
i
Vm c .



C diti t tif
85
3. Capteur source de charge (ex. : capteur piézo-électrique)
3 p g ( p p q )
▫ Le capteur est modélisé par une source de charge et un
condensateur en //
• Un exemple de conditionneur :
▫ la résistance interne d’entrée Ri introduit une décharge de la source (circuit du
premier ordre)
p )
▫ Si la décharge est trop rapide (constante de temps faible), la mesure est impossible.
• Un tel conditionneur n’est adapté que pour des mesures à
l ll ( élé ti / ib ti l )
valeur moyenne nulle (accélération/ vibration par exemple)
C
C
Cc
Vm
q


i
C
Cc 

C diti t tif
86
• Convertisseur charge/tension : amplificateur de charges
Convertisseur charge/tension : amplificateur de charges
• Le capteur devient source de charges à tension nulle (et constante).
• Sa capacité parallèle n’intervient pas dans la valeur mesurée.
b d l é i l é
• La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une
impédance fortement capacitive.
• Un circuit auxiliaire est nécessaire pour assurer la compensation de la
p p
dérive de l’intégrateur
qC
Cm
Vm
qC



C diti t if
87
Conditionneurs pour capteurs passifs
Ca te ésistif
Capteur résistif: Mesure par générateur de courant
• la mesure est directement proportionnelle à la
l d é i t d t (li é ité
valeur de résistance du capteur (linéarité
intrinsèque de la mesure si Zi→∞)
l i b d l é i
• la tension aux bornes de la résistance est non
nulle, le générateur de courant travaille à tension
i bl ( d i i f i )
variable (erreur de mesure si imparfait)
i
Vm
Rc Zi
im
m
c i
R
Vm .

Conditionneur

C diti t if
88
Ca te ésistif M é é t d t
Capteur résistif: Mesure par générateur de courant
• Montage élémentaire d'un générateur de courant:
Vbe
i
R
Vref m 
 .
1
f m
1
Le transistor se comporte en générateur de
t d l
courant de valeur
1
R
Vbe
Vref
im


La mesure de Rc est directement
référencée à la masse

C diti t if
89
• Montage potentiométrique
• Montage potentiométrique
• Si Rg→0
R
g
• la mesure Vm est liée à la valeur de résistance Rc par une loi non-linéaire
Vcc
R
R
R
Vm
C
C
1


• la mesure Vm est liée à la valeur de résistance Rc par une loi non-linéaire
• Sensibilité:
• La sensibilité est optimale pour
 
Vcc
R
R
R
S
C
2
1
1


C
R
R 
1
• La sensibilité est optimale pour
• Elle est alors :
C
1
1
4R
Vcc
S 

C diti t if
90
• Montage en pont (double diviseur de tension :Pont de Wheatstone)
• Montage en pont (double diviseur de tension :Pont de Wheatstone)
• On suppose que Rg est négligeable (Vcc référence de tension stabilisée).
• Aux points A et D on a : Vcc
R
R
R
VA

 3
Vcc
R
R
R
VD
2


• Exprimer Vm
• Le pont est dit équilibré lorsque Vm = 0
• =>
R
R C

3 R
R 2
1 
3
1
2 R
R
R
R 
• =>
• Pour cette valeur des résistances, les branches
droites et gauches donnent le même rapport de
3
1
2 R
R
R
R c
division de Vcc.
• Pour simplifier la construction, on adopte
souvent R
R
R
R
souvent
avec valeur de référence du capteur (point particulier)
0
3
2
1 C
R
R
R
R 


0
C
R
V
R
R
R
V
R
R
R
R
V C
c
C
c 
 2
0
0
3
1
2
    
Vcc
R
R
R
Vcc
R
R
R
R
V
C
C
C
C
c
C
C
c
m





0
0
0
0
3
2
1
3
1
2
2

C diti t if
91
• Etude variationnelle :
• Etude variationnelle :
• Si R
R
R C
C 

 0
 
 
Vcc
R
R
R
R
R
Vcc
R
R
R
R
R
R
R
V
C
C
C
C
C
C
C
C
m










0
2
0
0
0
0
2
0
0
0
2
4
2
2
• D’où
  C
C
C
C 0
0
0
0
4
2
/
1
/
0
0 Vcc
R
R
R
R
V
C
C
m




• Pour des petites variations de résistance, la
é t i li é i
0
C
réponse est quasi-linéaire :
4
0
Vcc
R
R
V
C
m



C diti t if
92
Gé é ale e t la se sibilité e t s’e i e e
• Généralement, la sensibilité peut s’exprimer en
fonction de :
O
0
C
R
R



Vcc
Vm


• On a
• En considérant que
4
2
/
1
m


2
/
1
2
/
1






• On a alors :
 
4
2
/
1
Vcc
Vm 
 

• Le terme d’erreur de non-linéarité est en
• Le pont de mesure exige donc une correction pour
2

p g p
être utilisable sur de grandes étendues de mesure
de résistance.

C diti t if
93
Mes re de la tension
• Mesure de la tension
▫ Problème de la mesure de tension
L i i d é é l d
 Les signaux issus de capteurs sont généralement de
faible niveau et doivent être amplifiés.
 Le signal utile est généralement une différence de
 Le signal utile est généralement une différence de
potentiel entre deux points, alors que les outils de
mesure usuels(Amplificateurs opérationnels) évaluent
( p p )
le potentiel par rapport à une référence imposée
appelée masse.

C diti t if
94
• La tension de mesure Vc issue d'un capteur est la différence de
• La tension de mesure Vc issue d un capteur est la différence de
potentiel entre les deux conducteurs A et B:
 VC= VA−VB
V
V 
• On appelle le mode commun :
• Donc,
2
B
A
mc
V
V
V


Vc
V
V mc
A 
 2
Vc
V
V mc
B 

• La tension de mode commun peut être très importante devant la
tension de signal (plusieurs volts pour un signal de quelques millivolts)
2
mc
A 2
tension de signal (plusieurs volts pour un signal de quelques millivolts).
• Elle peut être stable, mais le plus souvent, elle est perturbée par des
grandeurs externes (sources de bruits, couplages...)

C diti t if
95
• Amplification différentielle
p
▫ La méthode la plus courante de mesure de potentiels dits
"flottants" est l’utilisation du voltmètre.
 Cet appareil permet d’évaluer la différence de potentiel
entre ses deux points de mesure ; son usage est limité à
l’observation.
 En effet, sa conception même est de ne pas avoir de
éfé d l i t d i ibl
référence de masse ; son emploi est donc impossible pour
une instrumentation couplée à d'autres équipements
électroniques (PC par exemple)
électroniques (PC par exemple).
▫ L'outil de mesure utilisé en instrumentation est
l’amplificateur différentiel, composé de 2 amplificateurs
l amplificateur différentiel, composé de 2 amplificateurs
et d’un soustracteur.

C diti t if
96
La te sio de so tie est
• La tension de sortie est :
• On pose :
• Et
• D’où
• Le gain en mode commun se définit par :
g p
• Le gain différentiel par :
• Donc,
Donc,
• avec le taux de réjection en mode commun
• avec le taux de réjection en mode commun.

C diti t if
97
A lifi t d’i t t ti
• Amplificateur d’instrumentation
▫ L’amplificateur d’instrumentation est l’amplificateur différentiel idéal.
▫ La réalisation de l’ampli d’instrumentation est souvent basée sur un
▫ La réalisation de l ampli. d instrumentation est souvent basée sur un
ou plusieurs AOP
• Exemple: montage à Amplificateur opérationnel
t / t t (idé l)
sommateur/soustracteur (idéal)
▫ En Régime linéaire ;
• 











 2
2
1
2
1
4
3
4
1
2
1
e
e
S V
R
R
R
V
R
R
R
R
R
R
V
• Pour avoir le même gain, on choisit


3
1 R
R 
R
R 3
1 R
R
4
2 R
R 
 
2
1
2
e
e
S V
V
R
R
V 

1
R

C diti t if
98
Ce o tage ése te l’i co é ie t de ése te
• Ce montage présente l’inconvénient de présenter
une impédance d’entrée de l’ordre de grandeur de
R
R1.
• Ce montage n’est donc adapté que si Ve1 et Ve2
t d d t i ( ti d’ t
sont des sources de tension pures (sorties d’autres
amplis).
L d éj i d d
• Le taux de réjection du mode commun est
directement lié à la stricte égalité des résistances.

99
• Exemple de caractéristiques d'amplificateur différentiel moderne TL 2372/TL2374
Ib=(I++I-)/2
Ioffset= I+-I-
+

C diti t if
100
• Amplificateur d’instrumentation à 3 amplis
• Amplificateur d instrumentation à 3 amplis
▫ Les entrées sont amplifiées par des étages suiveurs dont
l’impédance d’entrée dynamique est très élevée.
p y q
'
V
R
V
R
V 
 2
1
1 V
R
V
R
R
V
G
G



1
2
'
2 V
R
R
V
R
R
R
V
G
G



 
2
1
)
2
1
( V
V
R
R
V
G
S 


Le gain se fixe avec une seule résistance RG; il est au minimum de 1.

C diti t if
101
Features and Benefits PIN CONFIGURATION
Amplificateur d’instrumentation : exemple commercialAD8220
Features and Benefits
High CMRR
100 dB CMRR min, G = 10 (B grade)
80 dB CMRR min to 5 kHz, G = 1 (B Grade)
Excellent ac specifications and low power
1.5 MHz bandwidth (G = 1)
√
PIN CONFIGURATION
14 nV/√Hz input noise (1 kHz)
Slew rate: 2 V/μs
750 μA quiescent supply current max
Qualified for Automotive Applications
Low input currents
10 pA max input bias current (B grade)
10 pA max input bias current (B grade)
0.6 pA max input offset current (B grade)
Versatile
MSOP package
Rail-to-rail output
Input voltage range to below negative supply rail
4 kV ESD t ti
4 kV ESD protection
4.5 V to 36 V single supply
±2.25 V to ±18 V dual supply
Gain set with single resistor (G = 1 to 1000)
Applications
Medical instrumentation
Precision data acquisition
Transducer interfaces

Filt
102
Filtrage
• Le filtrage peut avoir différentes applications Il peut en
• Le filtrage peut avoir différentes applications. Il peut en
particulier être pratiqué afin de réduire le bruit (signal
parasite « large bande » ou haute fréquence) entachant le
parasite large bande ou haute fréquence) entachant le
signal utile.
• Ainsi un filtrage passe-bas éliminera le bruit haute
fréquence et produira un effet de lissage utile.
• Placé avant l’échantillonnage de la conversion
l i / é i l filt d’ t é lé filt ti
analogique/numérique, le filtre d’entrée appelé filtre anti-
repliement, contraint le signal à avoir un spectre limité tel
que f <fe/2
que fmax<fe/2.
• Placé en sortie de la conversion analogique/numérique, le
filtrage lisse le signal de sortie pour restituer le signal utile.
g g p g

C i l i / é i
103
Conversion analogique/numérique
La co e sio a alogiq e/ é iq e co siste à
• La conversion analogique/numérique consiste à
transformer la tension analogique (issue du
capteur) en un code binaire (numérique) adapté à
capteur) en un code binaire (numérique) adapté à
son exploitation dans un processus de régulation,
de contrôle de calculs ou encore de stockage
de contrôle, de calculs ou encore de stockage.
• La conversion analogique/numérique n’est pas
té ti t k é l ti
systématique, un stockage ou une régulation
pouvant également être réalisés à partir de
d é l i
données analogiques.

104
II Capteurs
II. Capteurs
ENSA Kénitra
Niveau S7
ENSA Kénitra

C t à t t
105
Capteur à contact
• Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de
• Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de
course).
• Ils transmettent la détection de :
▫ présence/absence,
▫ passage,
▫ positionnement
p
▫ fin de course.
• Ils peuvent être équipés d'un galet, d'une tige souple, d'une bille.
• L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien
(TOR).

C t à t t
106
Capteur à contact

C t d i ité
107
Capteur de proximité
• Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple )
• Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple )
• C‘est un capteur composé d'une lame souple renfermé dans une capsule
sensible à la présence d'un champ magnétique mobile « aimant ».
• Ce capteur permet de détecter des positions (détection de porte fermée
dans un système d’alarme…).

Détecteur de proximité inductif
Détecteur de proximité inductif
•Un détecteur inductif ne détecte que les objets
métalliques.
•Essentiellement composé d'un oscillateur dont les
bobinages constituent la face sensible
•Il produit à l'extrémité leur tête de détection un champ
magnétique oscillant qui est généré par une self et une
capacité montée en parallèle.
•Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, des
courants de Foucault prennent naissance dans la masse du
métal qui soutirent de l'énergie à l'oscillateur au fur et à
mesure de l'approche de l'objet métallique, il y a
perturbation de ce champ puis atténuation du champ
oscillant. Cette variation est exploitée par un
amplificateur qui délivre un signal de sortie.
Avantages
•Détection sans contact physique :
•possibilité de détecter des objets fragiles ou fraîchement peints
•pas d'usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres
•détecteur statique, pas de pièces en mouvement
•produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche)
•très bonne tenue à l'environnement industriel
• détecteur sans contact des objets métalliques à une distance de 0 à 60 mm

Dét t d i ité itif
109
Détecteur de proximité capacitif
• Il est constitué d'un oscillateur dont le condensateur est formé
par 2 électrodes placées à l'avant de l'appareil (constituant la
par 2 électrodes placées à l avant de l appareil (constituant la
face sensible).
• Dans l'air (єr = 1), la capacité de ce condensateur est C0. avec
єr est la constante diélectrique, elle dépend de la nature du
q , p
matériau.
• Lorsqu'un objet de nature quelconque (єr > 1) se trouve en
regard de la face sensible du détecteur, ceci se traduit par une
i ti d l itif (C ) C tt i ti d ité
variation du couplage capacitif (C1). Cette variation de capacité
(C1>C0) provoque le démarrage de l’oscillateur. Après mise en
forme, un signal de sortie est délivré.
• Avantages:
• Avantages:
▫ Portée nominale 2 à 5 mm
▫ Détection des objets métalliques et des objets isolants
▫ Produit statique, pas de pièces en mouvement
▫ Pas de contact physique avec l'objet détecté : possibilité de détecter
des objets fragiles, fraîchement peints
▫ Pas d'usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres
▫ Produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche)
▫ Produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche)
▫ très bonne tenue à l'environnement industriel (atmosphère
polluante)

Dét t d i ité t él t i
110
Détecteurs de proximité optoélectriques
• Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité
• Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité.
• Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur.
• La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau
lumineux.
• Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande.
• Il existe trois grands types de détection :
Il existe trois grands types de détection :
• la détection par barrage où l'objet à détecter coupe un faisceau
lumineux situé entre l'émetteur et le récepteur,
l dé i b ù f i éflé hi é l' bj
• la détection par barrage où un faisceau réfléchi est coupé par l'objet
à détecter,
• le système réflex où le faisceau émis par le récepteur est renvoyé par
y p p y p
la pièce à détecter sur le récepteur situé sur le même capteur.

Dét t d i ité t él t i
111
Détecteurs de proximité optoélectriques
Nom Illustration
Nom Illustration
Barrage
Réflex
Proximité

C t d iti
112
Capteurs de position
• La mesure d’un déplacement ou d’une position revient toujours à
• La mesure d un déplacement, ou d une position, revient toujours à
mesurer des déplacements circulaires ou linéaires. Deux grands
critères sont utiles pour juger de la qualité d’un capteur de position :
S é l i ’ l l i l bl
• Sa résolution : c’est la plus petite valeur mesurable
• Son étendue de mesure : elle est définie par les valeurs extrêmes
mesurables par le capteur.
• Le principe de la mesure consiste à mesurer une grandeur physique
(souvent d’origine électrique), qui varie en même temps que la
grandeur à mesurer appelée mesurande.
g pp
• Ce sont des capteurs généralement basés sur la variation d'impédance
d'un dipôle passif. La variation de la grandeur physique à mesurer
peut-être liée à :
peut-être liée à :
• la variation de résistance (R en Ohm) d’une résistance ;
• la variation de capacité (C en F) d'un condensateur ;
l i i d'i d (L H) d' b bi
• la variation d'inductance (L en H) d'une bobine.

C t d iti l i
113
Capteurs de position analogiques
• Les capteurs potentio-métriques l
• Les capteurs potentio-métriques
 
l
R
S
 la résistivité
la longueur du conducteur
l
• La résolution est théoriquement infinie pour les pistes en plastique
constitué d’un polymère chargé en graphite conducteur mais elle est
g
la section du conducteur
S
constitué d un polymère chargé en graphite, conducteur, mais elle est
directement liée au diamètre du fil de bobinage pour les pistes
bobinées.

C t d iti l i
114
• Avantages:
▫ Simple
▫ peu couteux
• Inconvenients:
▫ usures par frottement (vitesse et duree de vie limitees)

C t d iti l i
115
• variation des paramètres géométrique
• variation des paramètres géométrique
▫ Une des armatures est fixe alors que l’autre peut se déplacer avec le
dispositif dont on veut suivre le mouvement
 condensateur unique
 Variation de la surface en regard
 Mesure linéaire en fonction de x ou de O
Mesure linéaire en fonction de x ou de O
Condensateur à surface variable
Variation de la distance entre armature:
capteur capacitif a écartement variable.
deplacement rectiligne
etendue de mesure de l’ordre du mm
li i d
Condensateur à écartement variable
non linearite du capteur

C t d iti l i
116
co de sate a do ble éfé e tiel
• condensateur a double référentiel
Vm=E.Zc2/(Zc1+Zc2)
Vm=E.(1/jc2w)/(1/(jc1w)+1/(jc2w))
Vm=E/((c2/c1)+1)
C /(d d)
Condensateur à écartement variable
C1=e0er.A/(d0-d)
C2=e0er.A/(d0+d)
Vm=E./((d0-d)/(d0+d)+1)
V E (d d)/( d ) (d d) E/( d )
Application: Au repos d1=d2=Do=1mm, montrer que
Vm=E.(d0+d)/(2d0)=(d0+d).E/(2d0)
Vm=E/2+E.d/(2d0)
pp p , q
lors du déplacement de C1 lie a
l’element mobile Vm est une fonction linéaire de
déplacement

C t d iti l i
117
ariation de la permitti ité
• variation de la permittivité
C1=e0er.l.x/d
A2=l.(L-x)
C2=e0.l.(L-x)/d
C=C1+C2=
▫ Le condensateur global est la somme de la partie
avec le dielectrique et de la partie correspondant au
id
vide
• Mesure lineaire en fonction du déplacement
• Electrodes generalement cylindriques concentriques
• Electrodes generalement cylindriques concentriques

C t d iti l i
118
• Les capteurs inductifs
L’ l i i li
• L’enroulement primaire est alimente par une
tension sinusoidale e1= E1 coswt et les
enroulements secondaires sont relies en
iti d f l f
opposition de facon a ce que les forces
electromotrices qui y sont induites se
• soustraient
A t
• Avantages
• Grande sensibilité
• Inconvénients
• Faible étendue de mesure (<50 cm)
( 5 )
• Relativement complexes en traitement du signal a
posteriori

C t d iti l i
119

C t d iti é i
120
Capteurs de position numériques
Les code s otatifs so t des ca te s de ositio
• Les codeurs rotatifs sont des capteurs de position
angulaire.
L di d d t lid i d l' b
• Le disque du codeur est solidaire de l'arbre
tournant du système à contrôler.
Il i d d d if
• Il existe deux types de codeurs rotatifs :
• les codeurs incrémentaux
• les codeurs absolus.

C d i é t
121
Codeurs incrémentaux
• La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes régulièrement réparties.
• Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes dirigé vers une diode photosensible.
• Chaque fois que le faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de connaître
la variation de position de l'arbre.
P ît l d t ti d d tili d iè f i l i
• Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième faisceau lumineux
qui sera décalé par rapport au premier.
• Le premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.

C d i é t
122
Codeurs incrémentaux
• On considère le codeur de la figure ci-contre
• On considère le codeur de la figure ci-contre.
• Donner sa résolution
• Sachant que les parties transparentes sont détectées
comme Etat haut donner le chronogramme des
comme Etat haut, donner le chronogramme des
signaux des voies A, B et Z si le disque tourne vers la
droite.
Refaire ce chronogramme si le disque tourne vers la
• Refaire ce chronogramme si le disque tourne vers la
gauche.
• Soit le flip-flop RS. Si les voies A et B sont liées
respectivement à R et S Que contient Q si la rotation
respectivement à R et S. Que contient Q si la rotation
se fait à droite respectivement à gauche?

C d b l
123
Codeurs absolus
• Le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d'une diode émettrice d'un
Le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d une diode émettrice d un
faisceau lumineux et d'une diode photosensible.
• La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée.
• La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc.
Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise
Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise.
• Il existe des codeurs absolus simple tour qui permettent de connaître une position sur un tour et les
codeurs absolus multi-tours qui permettent de connaître en plus le nombre de tours effectués.
C d b l i t
Codeur absolu 12 pistes
Codeur absolu 3 pistes

C d b l
124
Codeurs absolus
O tilise le code G a o li ite le isq e
• On utilise le code Gray pour limiter le risque
d’erreur

E i
125
Exercice
• On considère le tapis roulant suivant:
• On considère le tapis roulant suivant:
• Donner la résolution du codeur (le nombre de points ou fentes)
• Calculer la fréquence du signal fourni par le codeur incrémental
1/ La précision correspond toujours à 1 pt du codeur.
L d f it t l l li f it t l dé l t d t t d é i èt d l li
Le codeur fait 1 tour lorsque la poulie fait 1 tour ; le déplacement correspondant est 3.14.d= 251 mm = périmètre de la poulie.
On fait ensuite un produit en croix :
1 pt  2 mm
? Pts 251 mm
Donc il faut 126 pts pour 1 tour de codeur soit une résolution de 126 pts/tr
2/ La fréquence de fonctionnement (en Hz = pts/s) dépend de la vitesse de déplacement v = 100 mm/s.
100 mm/s = 100/251 tr/s = 0,4 tr/s donc cela correspond à 0,4 x 126 pts/s = 50 pts/s = 50 Hz.

• La resolution en deplacement est : 2πR/N= πd/N=2 mm  N= πd/(2mm)=40
π=125 66
126
π=125.66
• On prend N=126 fentes
• 1 tour du disque on compte 126 périodes
P d t 1 l di f it t
• Pendant 1s, le disque fait x tours.
• V=RΩ avec V est la vitesse rectiligne et Ω est la vitesse angulaire
•  Ω=V/R=0.1/(0.04)=2.5 rd/s
• Si f est la fréquence, on a f=Ω/(2π)
• Pendant un tour, on a 126 périodes. Donc, la fréquence du signal du capteur est
:126* Ω/(2π)=50.13Hz

127
Un disque N fentes:
N i d  1t
N periodes 1tr
On a compté m periodes
Le disque a fait m/N tours
Résolution angulaire: 360° 1/N ou 2π/N en rad
Résolution angulaire: 360 .1/N ou 2π/N en rad
Si R est le rayon du disque, la résolution en déplacement
est:
Si le disque fait un tour il se déplace d’une distance
Si le disque fait un tour, il se déplace d une distance
L=2πR
Resolution en déplacement: 2πR/N

C t d it é é t i t h ét i
128
Capteurs de vitesse : génératrice tachymétrique
• Elle délivre une tension proportionnelle à sa vitesse de rotation.
• Application principale : régulation de vitesse d'un moteur électrique
• Caractéristiques essentielles d'une tachymétrie
- vitesse maximale de rotation (en tours par minute),
esse a a e de o a o (e ou s pa u e),
- constante de f.e.m. (en volts à 1000 trs/mn ou en v/tr/mn),
- linéarité (en %),
- ondulation crête à crête (en %)
ondulation crête à crête (en %),
- courant maximal.
• Génératrice à courant continu
i i é d i
▫ Excitation assurée par des aimants permanents.
 U = E - r.I et U = Rc.I (Rc est la résistance de charge)
 d'où: U = E / (1+r/Rc) = Ke.W / (1+r/Rc) = K.W
K t t d f / d/ t W l ti d/
avec Ke: constante de f.e.m. en v/rd/s et W : pulsation en rd/s
 La caractéristique tension-vitesse est donc linéaire.

J d t i t
129
Jauge de contrainte
• Une jauge est constituée d’un très fin fil conducteur collé sur un support
• Une jauge est constituée d un très fin fil conducteur collé sur un support
qui est une feuille très mince.
• Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant
l di i d d l fil bi l ê
la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes
déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée.
• Si on tire sur ce fil, il va s'allonger et sa section va se réduire, sa résistance
, g ,
va donc augmenter (l/s augmente).
• L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du
double
double.
s
L
R


L
L
K
R
R 


Suite à un allongement, on a
K t l f t d l j
K est le facteur de la jauge

J d t i t
130
Jauge de contrainte
• Si le conducteur subit une force de traction:
▫ Effet de l’allongement :
l
dl
R
dR

g
▫ Diminution de la section : loi de Poisson (v :
l
R
(
coefficient de Poisson)
l
dl
S
dS 
2


▫ Effet de piézorésistivité (C : constante de Brigman)
l
S
• Au total ces trois effets donnent : l
dl
C
V
CdV
d
)
2
1
( 





 dl
C
dR
)
2
1
(
2
1 
 


  
l
C
R
)
2
1
(
2
1 
 



J d t i t
131
Jauge de contrainte
• Le capteur à jauges comprend un dispositif mécanique (corps
• Le capteur à jauges comprend un dispositif mécanique (corps
d’épreuve), destiné à provoquer, sous l’action de la grandeur physique,
la déformation de ladite pièce.
D j llé d’é f
• Des jauges collées sur ce corps d’épreuve transforment ces
déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans
ce cas (0,01 %) sont considérablement supérieures à celles que donnent
les mesures de déformation.
• En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur
vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques
vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques
de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro….

C t lt i (di t / it )
132
Capteur ultrasonique (distance/vitesse)
• L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur
• L émetteur envoie un train d ondes qui va se réfléchir sur
l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps
mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour
mis (1 temps 2 temps) pour parcourir un aller retour
permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la
source.
• L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train
d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et
attend le retour du signal
attend le retour du signal.

R l Eff t D l Fi (Wiki)
133
Rappel: Effet Doppler-Fizeau(Wiki)
• Soit un émetteur et un récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à
Soit un émetteur et un récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à
considérer :
▫ Le référentiel du milieu dans lequel se propage l’onde (par exemple l’atmosphère pour une onde sonore). On note c la célérité de
l’onde dans ce référentiel (ce n’est pas forcément la vitesse de la lumière).
▫ Le référentiel lié à l’émetteur (source) : appelons vem la vitesse algébrique de l’émetteur (source) par rapport au référentiel (1).
▫ Le référentiel lié au récepteur : appelons vrec la vitesse du récepteur par rapport au référentiel (1).
• On suppose que les vitesses sont positives suivant la direction et dans le sens de propagation du signal
(de l’émetteur vers le récepteur).
▫ vem positive et vrec négative correspond à un rapprochement entre source et récepteur tandis qu’une
vitesse vem négative et vrec positive correspond à un éloignement.
• Si la source émet des bips à une fréquence ƒem et que le mouvement relatif entre émetteur et récepteur
se fait selon la droite les joignant. Lorsque le deuxième bip est produit, le premier bip a parcouru une
distance d0 = c·Temdans le référentiel (1), avec Tem = 1/ƒem. La source s’étant déplacée
de vem·Tem pendant le temps Tem, la distance séparant deux bips est d1 = (c - vem)·Tem.
• Soit Trec le temps séparant la détection des deux bips par le récepteur. Ce dernier reçoit le
premier bip. Au bout de ce temps Trec, il a parcouru la distance vrec·Trec au moment où il reçoit le
deuxième bip.
p
• Durant ce laps de temps Trec, le deuxième bip aura donc parcouru la distance d2 = d1 + vrec·Trec = c·Trec,

L t d t é t
134
Les capteurs de température
• Les sondes ou capteurs de température permettent de
• Les sondes ou capteurs de température permettent de
transformer l'effet du réchauffement ou du refroidissement
en signal électrique.
en signal électrique.
• On peut classer ces capteurs en catégories:
d é l i
▫ Les capteurs de température analogiques:
 Thermométrie par diodes et transistors
 Utilisation de la résistance:
 Les résistances métalliques
 Les thermistances
 Les thermocouples
▫ Les capteurs de température intégrés

Les capteurs de température : Jonction PN
135
• Capteurs délivrant une tension ou un courant lié à la température.
• Plusieurs types sont utilisés:
• Plusieurs types sont utilisés:
▫ Jonction PN:
 La tension aux bornes d'un semi-conducteur ainsi que le courant qui le traverse dépendent de
la température. I=Io.(exp(eV /kT)-1) , I0 est le courant de saturation.
p ( p( / ) ) ,
 T température en kelvin,
 e=1.6 10-19 C est la charge de l’éléctron
 k =1.38 10-23J/K est la constante de Boltzman
 Io=B.T3.exp(eEG /kT), B est un coefficient intrinsèque de la jonction et EG est la largeur de gap en
Io B.T exp(eEG /kT), B est un coefficient intrinsèque de la jonction et EG est la largeur de gap en
V(EG=1.12V pour le silicium)

136
• Ce sont des capteurs dit intégrés et qui ont l'avantage que à courant constant I, la mesure
de V est (quasi) linéaire en fonction de la température et se présente sous la forme : V =
(q ) p p
aT + b avec a qui dépend de l'élément sensible.
• Exemple de linéarisation:
• Les deux transistors sont supposés identiques
Les deux transistors sont supposés identiques
• I1=Io.exp(eV1 /kT)
• I2=Io.exp(eV 2/kT)
Vd=KT/e.ln(I1/I2)
La sensibilité (en μV/K) est 85.56. ln(I1/I2)
La tension Vd est proportionnelle à la température absolue

137
• Ce type de capteur utilisant des diodes et des transistors ont l'avantage d’être simple à
fabriquer et à mettre en œuvre, peu coûteux et très linéaire.
• Mais ils ont une étendue de mesure limitée ( 50 °C 150 °C)et sont affectés par un
• Mais, ils ont une étendue de mesure limitée (-50 C , 150 C)et sont affectés par un
champs magnétique.

Les capteurs de température : Thermistance
138
• Une résistance qui varie en fonction de la température. Elle est constituée
d’oxyde métallique
d oxyde métallique.
• Il existe trois grandes sortes de thermistances :
▫ Coefficients de Température Négatif (CTN) : La résistance diminue lorsque la
température augmente
température augmente
▫ Coefficients de Température Positif (CTP) : La résistance augmente lorsque la
température augmente.
▫ Critical Variation Resistor : sont des CTN à variation brusque de résistance.
q
• CTN relativement à CTP : résistance diminuer de façon uniforme quand la
température augmente, ce qui en fait une des thermistances les plus utilisés.
• CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques,
CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques,
barreaux, pastilles, rondelles, puces etc.
• Limitations: Linéarité, temps de réponse, gamme températures 300°C

139
• CTN:
CTN: Mesure de température

L t d t é t Th i t
140
CTP
• CTP:

L t d t é t th l
141
Les capteurs de température : thermocouples
- Ces sondes permettent des mesures de températures très élevées (dépassant
- Ces sondes permettent des mesures de températures très élevées (dépassant
1000°C pour une sonde de type "K", par exemple).
• Elles sont constituées de deux matériaux qui, lorsqu'ils sont en contacts et
é à é d é déli i
portés à une température donnée, délivrent une tension.
• Cette tension est faible et doit être amplifiée pour être exploitable.

142
Selection of the Measuring Junction
Sheathed thermocouples are available in 3 junctions types:
Sheathed thermocouples are available in 3 junctions types:
-grounded: Fast time response . Can Be subject to EMF
interference
-Ungrounded: EMF Resistant. Slower Response Time.
-and exposed. Provides the fastest time response: Cannot
be used in an environment with a high percentage of solids,
high pressure, or liquid material since the junction is
exposed to this environment.
-Each design offers specific advantages as well as
Each design offers specific advantages as well as
disadvantages and must be considered carefully when
placing an order.

143
Lettre
Domaine
d’utilisation
(°C)
Sensibilité
moyenne (
μV/°C)
Lettre
Conducteur
positif
Conducteur
négatif
T Cuivre
Nickel-Cuivre
(Constantan)
T -200 à 370 51
J -40 à 800 55
E -270 à 870 78,5
à
J Fer Constantan
E
Nickel-Chrome
(Chromel)
Constantan
K Chromel
Nickel-Aluminium
(Alumel)
K -270 à 1270 41
S -50 à 1600 11,4
R -50 à 1600 12.9
B 0 à 1700 10,6
S
Platine-10 %
Rhodium
Platine-6 %
Rhodium
R
Platine-13 %
Rhodium
Platine
B
Platine-30 %
Rhodium
Platine-6 %
Rhodium
B 0 à 1700 10,6
N -270 à 1300 38
G C et D 0 à 2600 20
Pt/Au 0 à 1000 25
N
Nickel-Chrome-
Silicium (Nicrosil)
Nickel-Chrome-
Magnésium
(Nisil)
U Cuivre Constantan
G Tungstène
Tungstène-26 %
Rhénium
Rhénium
C
Tungstène-5 %
Rhénium
Tungstène-26 %
Rhénium
D
Tungstène-3 %
Rhénium
Tungstène-25 %
Rhénium
Couple non
normalisé
Platine Or
normalisé

L t d t é t th l
144

L t d t é t Mét lli
145
Les capteurs de température : Métallique
• Pour les métaux, la résistance varie avec la température ;
Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la RTD: Resistance Temperature Detector
• Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la
température mais seulement quelques uns sont utilisés
comme capteur.
▫ Platine: Précis, stable, durable,
RTD: Resistance Temperature Detector
▫ Tungstène, Moins Stable que platine, Meilleure linéarité en haute
température, -100 °C , 1 400 °C
▫ Nickel: Sensibilité la plus élevée , Résistivité élevée, Faible linéarité, Peu
stable, -80 °C , 260 °C
▫ Cuivre: Linéaire, Résistivité faible donc encombrement, Peu stable,

146
• Pour une résistance en platine (notée PT25, PT50, PT100, PT200, PT500
PT )
ou PT1000).
• La plus courante est PT100 ayant une résistance de 100Ω à 0°C
• Pour le platine on utilise la formule de Callendar et Van Dusen :
ou e p a e o u se a o u e de Ca e da e a use
▫ R(t) = R0.(1 + a.t + b.t2 + c.( t−100).t3).
Pour t>0°C, a=3,9083.10-3, b =-5,775.10-7 et c=0.
Pour t<0°C a=3 9083 10-3 b = 5 775 10-7 et c= 4 183 10-12
Pour t<0 C, a=3,9083.10 3, b =-5,775.10 7 et c=- 4,183.10 12
▫ R0 est la valeur qui suit les lettres PT

147
• Pour les métaux, la résistance varie avec la
t é t
température ;
• Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la
température mais seulement quelques uns sont
tili é t
RTD: Resistance Temperature Detector
utilisés comme capteur.
▫ Platine: Précis, stable, durable, -200 °C , 850 °C
▫ Tungstène, Moins Stable que platine, Meilleure linéarité en
haute température, -100 °C , 1 400 °C
p , , 4
▫ Nickel: Sensibilité la plus élevée , Résistivité élevée, Faible
linéarité, Peu stable, -80 °C , 260 °C
▫ Cuivre: Linéaire, Résistivité faible donc encombrement, Peu
stable 190 °C 150 °C
stable, -190 C , 150 C

L t d t é t i té é
148
Les capteurs de température intégrés
• Grâce à leur sortie numérique ces capteurs peuvent être directement
• Grâce à leur sortie numérique, ces capteurs peuvent être directement
connectés sur une entrée d’un système numérique pour la gestion de la
température.
• Ils permettent une lecture directe du signal, sans passer par un
convertisseur analogique/numérique et sont calibrés par le
constructeur
constructeur.

L t él t i
149
Les capteurs pyroélectriques
• Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au
• Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au
moins, qui sont sensibles à la chaleur (rayonnement infrarouge).
• Le capteur est élaboré de telle sorte qu'il permet la détection de
p q p
différences de chaleur entre les cellules qu'il comporte. Il est très utilisé
dans les systèmes de détection de personne (carillon porte d'entrée,
détecteurs IR pour alarmes allumage automatique de lampes)
détecteurs IR pour alarmes, allumage automatique de lampes).

L t d f é
150
Les capteurs de fumée
• Système de détection de la fumée optique a le principe suivant:
• Système de détection de la fumée optique a le principe suivant:
▫ Un faisceau lumineux créé par une LED émettrice éclaire une chambre de
détection obscure.
▫ Cette chambre contient aussi un récepteur photoélectrique (cellule) qui
transforme la lumière en un faible courant électrique.
L l i l d f é é è à l’i é i d dé d
▫ Lorsque les particules de fumée pénètrent à l’intérieur du détecteur de
fumée, la lumière est réfléchie sur la surface des particules de fumée et entre
en contact avec la cellule, ce qui déclenche aussitôt l’alarme.

C t d débit èt lt
151
Capteur de débitmètre ultrason
• On mesure la vitesse de déplacement du fluide en mesurant la différence des temps
d t it d l’ d d fl id
de transit de l’onde dans un fluide.
• Différence calculée entre le temps de parcours d’une onde ultrasonore d’une sonde
A montée en amont par rapport à une sonde B montée en aval (sens d’écoulement
d fl id ) t t l t d d’ d lt d’ d B
du fluide) et entre le temps de parcours d’une onde ultrasonore d’une sonde B
montée en aval par rapport à une sonde A montée en amont (sens opposé).
• Les sondes A et B sont alternativement émettrice et réceptrice de l’onde ultrason.
diffé d d dé i l i d’é l d ili
• La différence des temps permet de déterminer la vitesse d’écoulement du milieu.
• Le débit volumique est aussi déterminé en ayant rentré le diamètre de la
canalisation et son épaisseur: Débit volumique est le produit de la section et de la
i d’é l
vitesse d’écoulement Q = S x V

C t d i
152
Capteurs de pression
• Plusieurs types dont : Piézoélectrique et capacitif.
Plusieurs types dont : Piézoélectrique et capacitif.
• Le capteur capacitif repose, sur le fait qu'une différence
de pression entraîne une variation d'épaisseur entre les
couches conductrices d'un condensateur et, donc, une
variation de la capacité de la cellule
variation de la capacité de la cellule.
•Pression Absolue Mesure par rapport à un volume
•Pression Absolue Mesure par rapport à un volume
scellé, généralement sous vide.
•Pression Relative Mesure par rapport à la pression
atmosphérique.
•Pression Différentielle avec 2 entrées pression
•Pression Différentielle avec 2 entrées pression,
pour mesurer la différence entre 2 pressions.

M èt i diffé ti ll
153
Manomètres pour pression différentielle
• Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression est
• Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression, est
soumise, de l’intérieur et de l’extérieur, à une pression.
• La différence de pression entre les deux parties provoque un
d l l
mouvement de la capsule.
• Conversion par variation de capacité

C t d i j
154
Capteurs de pression avec jauges

B h t d t l i
155
Branchement de capteurs analogiques

B h t d t TOR
156
Branchement de capteurs TOR

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